Grant: Discovery Grants Program - Individual

La pompe à chaleur (PAC) au CO2 est une technologie émergente et une alternative intéressante aux PACs conventionnelles. Par son fonctionnement en régime supercritique elle offre une performance thermodynamique supérieure à celles-ci, ce qui permet en bout d'une ligne de réduire la consommation d'énergie fossile. Elle produit aussi un moindre impact sur l'environnement. L'objectif de ce programme de recherche est de pousser au maximum les performances de cette PAC par l'intégration d'équipements complémentaires qui réduisent les pertes d'exergie du système. Il s'agit, en fait, de développer et de valider une méthodologie systémique d'intégration de divers composants dont le fonctionnement est basé sur cinq procédés élémentaires (la compression, l'expansion, le mélangeage, la séparation et le transfert de chaleur ainsi que leurs combinaisons). Comme cas type, on propose d'étudier l'intégration d'un tube Vortex. Ce dispositif sépare un courant de CO2 supercritique en deux parties dont l'une est réchauffée et l'autre est refroidie; il peut ainsi remplacer partiellement une vanne de détente et diminuer les pertes d'exergie associées. Le tube Vortex peut être installé en différents endroits du cycle de la PAC; il peut également être intégré avec d'autres équipements complémentaires tels qu'un échangeur interne ou un éjecteur. L'intégration d'un tel tube dans le cycle d'une PAC au CO2 n'est donc pas unique. Elle fait appel à l'optimisation structurelle et paramétrique des systèmes et nécessite la réalisation d'un programme de recherche en 5 phases inter-reliées: 1) la modélisation CFD du tube Vortex dont on extrait certains coefficients phénoménologiques; 2) la validation de ces modèles avec les données expérimentales obtenues avec un banc d'essai à l'UdeS; cette information sera unique car, à date, il n'existe aucune donnée expérimentale sur le fonctionnement des tubes Vortex à une pression d'entrée supercritique du CO2; 3) la modélisation thermodynamique (1D) du tube Vortex en utilisant les coefficients phénoménologiques obtenus à étape 1; 4) le développement d'une stratégie d'optimisation permettant de maximiser la puissance exergétique du système intégré (PAC-tube Vortex) en fonction de la géométrie du tube, de la structure du système et des paramètres d'opération; 5) la validation des résultats numériques d'optimisation à l'aide de données expérimentales obtenues avec un banc d'essai disponible au LTE-Hydro-Québec. Les résultats issus de ces travaux permettraient l'élaboration d'une nouvelle approche d'intégration de procédés énergétiquement efficaces à la fois théorique et pratique applicable au vaste domaine de la revalorisation de chaleur et de la réfrigération par les systèmes utilisant des réfrigérants naturels au faible impact sur le réchauffement climatique. Il permettrait également des gains économiques pouvant atteindre quelque 150 millions $/ an en 2025 au Canada.